技术领域
[0001] 本
发明属于电
力半导体器件技术领域，适用于高压快速软恢复
二极管，具体涉及一种沟槽-场限环复合终端结构，本发明还涉及该种沟槽-场限环复合终端结构的制备方法。
背景技术
[0002] 由于高压
绝缘栅双极晶体管(IGBT)模
块的快速发展，对其中续流用的快速软恢复二极管(FSRD)的性能要求也越来越高，不仅要求FSRD有高耐压、低损耗、快速且软的反向恢复特性，而且有高可靠性和低成本。
[0003] 高耐压和高可靠性均与终端的设计密切相关。为了适用于模块封装，通常采用场板、场限环以及场板与场限环复合等平面终端结构做成方形芯片。但当器件的击穿
电压较高时，采用这些终端会导致芯片的面积显著增加，有效利用率下降。尽管通过终端参数的优化设计，能够避免反向截止时峰值
电场在终端表面发生击穿。但在反向恢复期间，由于外加- +反向电压
抽取n区的空穴时，会补偿p
阳极区的部分受主掺杂，造成高电场穿通到终端区表面，导致终端发生低穿通击穿。此外，在有源区与终端区的交界处会产生
电流集中现象，导致器件局部
温度升高而失效。因此，上述的问题对于高压FSRD的研发提出了巨大的挑战。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种沟槽-场限环复合终端结构，解决了
现有技术的高压快速软恢复二极管(FSRD)
击穿电压低、可靠性差的问题。
[0005] 本发明的另一目的是提供上述的沟槽-场限环复合终端结构的制备方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种沟槽-场限环复合终端结构，包括有源区和终端区，有源区和终端区共同的n-区向下连接有n场阻止层，n场阻止层下方连接有n+
阴极区及其阴极
铝电极；
[0007] 在有源区中，n-区向上连接有p+阳极区及阳极铝电极；在终端区中，n-区向上与有源区
接触的区域是增加的一段p+
电阻区，与该p+电阻区间隔设置有一个沟槽，该沟槽下方设置有多个环间距不等、环宽相等的p+场限环，在该沟槽下方最外侧设置有一个n+截止环，在沟槽内填充有
钝化层并延伸到p+电阻区的上方，该
钝化层与有源区的阳极铝电极相接。
[0008] 本发明所采用的另一技术方案是，一种上述的沟槽-场限环复合终端结构的制备方法，按照以下步骤具体实施：
[0009] 步骤1、选用原始的高阻区熔中照单晶
硅片作为n-区；
[0010] 步骤2、将
硅片清洗后
腐蚀减薄，干
氧-湿氧-干氧交替氧化生长掩蔽膜，去掉n-区下表面氧化层，利用三氯氧磷源两步扩散在n-区的下表面形成n场阻止层，然后去掉芯片整个表面的表面氧化层；
[0011] 步骤3、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新生长掩蔽膜，
光刻终端区上表面沟槽窗口，腐蚀形成终端区的沟槽，然后去掉芯片整个表面的表面氧化层；
[0012] 步骤4、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新生长掩蔽膜，并光刻，在有沟槽的n-区上表面形成
硼离子注入窗口；
[0013] 步骤5、将硼离子注入并推进，在n-区上表面同时形成p+阳极区、p+电阻区以及终端区的p+场限环，然后去掉芯片整个表面的氧化层；
[0014] 步骤6、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新生长掩蔽膜，并光刻，在终端区上表面形成n+截止环的扩散窗口，同时去掉n场阻止层下表面的氧化层；
[0015] 步骤7、磷预沉积，形成芯片下表面的阴极n+区和终端区上表面的n+截止环；
[0016] 步骤8、在芯片上表面采用化学气相淀积磷硅玻璃，并光刻，形成阳极接触孔，然后进行磷硅玻璃回流；
[0017] 步骤9、在芯片上、下表面分别蒸
镀铝膜，然后在芯片下表面的金属铝膜上溅射
钛/镍/
银三层金属膜，接着反刻芯片上表面的金属铝膜，并
合金化，形成Al
金属化阳极和Al/Ti/Ni/Ag四层金属化阴极；
[0018] 步骤10、利用高
密度等离子体化学汽相淀积，在芯片表面形成致密的
多晶硅薄膜，并光刻出阳极，形成终端区的钝化膜；
[0019] 步骤11、利用高能氢离子在阳极面进行质子辐照，实现局部少子寿命控制，并
退火；
[0020] 步骤12、进行划片、封装，即成。
[0021] 本发明的有益效果是，与普通的场限环结构相比，采用本发明的终端结构，只需要在阳极p+区、电阻区及p+场限形成之前，增加了一次沟槽
刻蚀工艺，因而工艺简单，制作成本低；本发明用于高压快速软恢复二极管中，在不显著增加终端尺寸的前提下，能够实现91.6％的体击穿电压，并有效抑制反向恢复期间的电流集中与终端表面的穿通击穿，显著提高其可靠性。
附图说明
[0022] 图1是采用普通结构场限环的高压快速软恢复二极管剖面结构示意图；
[0023] 图2是采用本发明终端结构的高压快速软恢复二极管剖面结构示意图；
[0024] 图3是高压快速软恢复二极管在常温(300K)与高温(400K)下的体击穿特性及采用本发明终端结构与普通场限环结构时的终端击穿特性曲线比较；
[0025] 图4是采用普通场限环结构的高压快速软恢复二极管在反向击穿时的
空间电荷区扩展分布；
[0026] 图5是采用本发明终端结构的高压快速软恢复二极管在反向击穿时的空间电荷区扩展分布；
[0027] 图6是采用本发明终端结构与普通场限环结构的高压快速软恢复二极管在反向击穿时的纵向电场强度分布比较；
[0028] 图7是采用本发明终端结构的高压快速软恢复二极管在反向击穿时沟槽拐
角处的纵向电场强度分布；
[0029] 图8是采用本发明终端结构与普通场限环结构的高压快速软恢复二极管在反向恢复期间阳极表面的电流密度分布比较；
[0030] 图9是采用本发明终端结构与普通场限环结构的高压快速软恢复二极管在反向恢复期间终端区p+n-结弯曲处的纵向电场强度分布比较。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0032] 参照图1，是普通场限环的高压快速软恢复二极管剖面结构示意图。
[0033] 参照图2，本发明终端的高压快速软恢复二极管剖面结构是，包括有源区和终端区，有源区和终端区共同的n-区向下连接有n场阻止层，n场阻止层下方连接有n+阴极区及其阴极铝电极K；
[0034] 在有源区中，n-区向上连接有p+阳极区及阳极铝电极A；在终端区中，n-区向上与有源区接触的区域是增加的一段p+电阻区，与该p+电阻区右侧(相邻)间隔设置有一个沟槽，该沟槽下方设置有多个环间距不等、环宽相等的p+场限环，在该沟槽下方最外侧设置有一个n++截止环，在沟槽内填充有钝化层并延伸到p电阻区的上方，该钝化层与有源区的阳极铝电极A相接。
[0035] 图2所示本发明
实施例的沟槽-场限环复合终端结构与图1所示现有的普通场限环结构相比，在主结末端(与终端区相邻)增加了一段p+电阻区及一个沟槽；沟槽与p+电阻区的+ +侧面间隔设置，与p电阻区边沿距离为4～6μm，沟槽深度为8～12μm；沟槽下方设置有8个p场限环和1个n+截止环，其扩散窗口宽度均相同；并且，p+电阻区、p+场限环与p+阳极区三者的深度相同。
[0036] 本发明的沟槽-场限环复合终端结构的制备方法，按照以下步骤具体实施：
[0037] 步骤1、选用原始的高阻区熔中照
单晶硅片作为n-区；
[0038] 步骤2、将硅片清洗后腐蚀减薄，干氧-湿氧-干氧交替氧化生长掩蔽膜，去掉n-区下表面氧化层，利用三氯氧磷源两步扩散在n-区的下表面形成n场阻止层，然后去掉芯片整个表面的表面氧化层；
[0039] 步骤3、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新生长掩蔽膜，光刻终端区上表面沟槽窗口，腐蚀形成终端区的沟槽，然后去掉芯片整个表面的表面氧化层；
[0040] 步骤4、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新生长掩蔽膜，并光刻，在有沟槽的n-区上表面形成硼离子(B+)注入窗口；
[0041] 步骤5、将硼离子(B+)注入并推进，在n-区上表面同时形成p+阳极区、p+电阻区以及终端区的p+场限环，然后去掉芯片整个表面的氧化层；
[0042] 步骤6、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新生长掩蔽膜，并光刻，在终端区上表面形成n+截止环的扩散窗口，同时去掉n场阻止层下表面的氧化层；
[0043] 步骤7、磷预沉积，形成芯片下表面的阴极n+区和终端区上表面的n+截止环；
[0044] 步骤8、在芯片上表面采用化学气相淀积磷硅玻璃(PSG)，并光刻，形成阳极接触孔，然后进行磷硅玻璃回流；
[0045] 步骤9、在芯片上、下表面分别蒸镀铝(Al)膜，然后在芯片下表面的金属铝(Al)膜上溅射钛/镍/银(Ti/Ni/Ag)三层金属膜，接着反刻芯片上表面的金属铝膜，并合金化，形成Al金属化阳极和Al/Ti/Ni/Ag四层金属化阴极；
[0046] 步骤10、利用高密度等离子体化学汽相淀积(HDP-CVD)，在芯片表面形成致密的多晶硅薄膜，并光刻出阳极，形成终端区的钝化膜；
[0047] 步骤11、利用高能氢离子(H+)在阳极面进行质子辐照，实现局部少子寿命控制，并退火；
[0048] 步骤12、进行划片、封装，即成。
[0049] 本发明终端结构的器件特性评价是：
[0050] 以图2所示，以3.3kV FSRD为例，利用Sentaurus-TCAD
软件对FSRD的反向击穿特性和反向恢复特性分别进行仿真，并与普通场限环FSRD的特性进行比较。
[0051] 1、反向阻断特性
[0052] 图3为高压快速软恢复二极管在常温(300K)与高温(400K)下的体击穿特性及采用本发明终端结构与普通场限环结构时的终端击穿特性曲线比较。在300K时，高压快速软恢复二极管的体击穿电压约为4040V，采用普通场限环结构，其终端击穿电压约为3335V，达到体击穿电压的82.5％；采用本发明沟槽终端结构，其终端击穿电压为3700V，达到体击穿电压的91.6％，比普通的场限环结构提高了9.1％。在高温400K时，本发明终端结构的击穿电压也高于普通场限环终端结构，并且本发明终端结构的
漏电流与普通场限环终端结构相同。
[0053] 图4和图5分别为采用普通场限环终端结构与本发明终端结构时的高压快速软恢复二极管在反向击穿时的空间电荷区扩展分布。普通场限环终端与本发明终端的尺寸分别约为1360μm与1450μm。与普通场限环结构相比，本发明终端结构，由于挖槽后形成的p+场限环增大了p+n-结的
曲率半径，降低了表面峰值电场，在保持终端尺寸基本不变的情况下(只需增加约100μm宽的电阻区)，可将终端击穿电压提高9.1％。
[0054] 2、反向击穿时的电场强度分布
[0055] 图6是采用本发明终端结构与普通场限环结构的高压快速软恢复二极管在反向击穿时的纵向电场强度分布比较。普通场限环终端结构在主结p+n-结弯曲处的峰值电场强度约为2.27×105V/cm，本发明终端结构在电阻区p+n-结弯曲处的峰值电场强度约为2.19×105V/cm，并且在整个基区内，本发明终端结构电场强度均高于普通场限环终端结构，因此本发明终端结构有较高的终端击穿电压。
[0056] 图7是采用本发明终端结构的高压快速软恢复二极管在反向击穿时沟槽拐角处的纵向电场强度分布，其峰值仅为1.7×105V/cm，远低于图6所示的p+n-结弯曲处峰值电场强度，这说明沟槽拐角处的峰值电场较低，器件不会在沟槽拐角处发生击穿。
[0057] 3、反向恢复期间的电流密度分布
[0058] 图8是采用本发明终端与普通场限环的高压快速软恢复二极管在反向恢复期间阳极表面的电流密度分布(测试条件为Vd＝1.8kV,JF＝100A/cm2,L＝1.2μH，di/dt＝1500A/μs)，在普通场限环终端结构的有源区与终端区交界处，电流密度产生了很高的尖峰，其峰值2 +
达到6566A/cm ，而本发明终端结构在整个p电阻区内的电流密度分布较为均匀，且表面处电流密度明显降低，峰值约为5640A/cm2，因而，本发明的终端结构可以避免因局部电流密度过高，引起温升造成器件失效。
[0059] 4、反向恢复期间的纵向电场强度分布
[0060] 图9是采用本发明终端结构与普通场限环结构的高压快速软恢复二极管在反向恢复期间终端区p+n-结弯曲处的纵向电场强度分布比较，在普通场限环结构中，峰值电场出现在终端区表面(y＝0μm)，其值达到2.56×105V/cm；而在本发明终端结构中，峰值电场出现在体内(y＝9.3μm)且靠近p+n-结弯曲处，其峰值约为2.5×105V/cm。可见，本发明终端结构中的沟槽可以将反向恢复期间容易穿通到终端表面的峰值电场转移到体内的p+n-结弯曲处，避免了终端表面的穿通击穿，提高了终端耐压的可靠性。并且，即使在反向恢复期间发生了动态
雪崩，这种电场强度分布可以使空穴被抽取时远离终端表面，避免了空穴经由终端表面抽取时造成的穿通击穿。此外，由于本发明的终端结构阴极侧n-n结处电场强度较低，有利于抑
制动态雪崩的发生，因此本发明的终端结构还可以提高二极管抗动态雪崩的能力，从而提高其反向恢复的可靠性。
